风电机组塔筒振动监测系统设计报告

课程设计报告 ( 2014 -- 2015年度第 二 学期)

名 称： 单片机课程设计 题 目： 风电机组塔筒振动检测系统 院 系： 班 级： 学生姓名： 同 组 人： 学 号：

成 绩：

日期： 2015年 7 月 5日 一．塔筒振动检测意义： 通过对塔筒振动的实时数据监测，和进一步的数据分析可以 1判断塔筒的强度，刚度，稳定性，便于维护与检修 2.实现对风电机组变载荷，变转速的检测和反馈 3.保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行 二．塔筒振动检测基本方案 １. 基本原理：利用传感器测量塔筒的振动信号，通过信号传送线路和信号转换元件把振动信号送入单片机，再利用单片机的软件技术处理塔筒的振动信号，实时显示塔筒振动状态并将信号通过无线技术传输到检测中心，实现塔筒振动的检测。 2.功能实现：每个风电机组塔筒可用８个传感器分别测得不同位置的各个方向上的振动信号，每个测量对象经传感器输出的８条模拟信号可输入到ADC0808的８个模拟输入端子，单片机控制选择模拟信号输入通道后，ADC0808转换为数字信号经输出通道输出到到AT89C51单片机，单片机又与数码管连接，由单片机控制将８通道的模拟量轮流转换后输出到七段数码管动态显示，由此可简单实现塔筒振动的实时简单检测。（若要更准确的实现塔筒振动的检测，同时可将A/D转换后，数据串行口输出后经MAX232电平转换后，通过无线数据模块传到检测中心，经数据分析后得到更为准确的塔筒振动检测，以下设计中不做设计） 系统的运行方框图如下： 风电机组 ... ... ... 风电机组 传感器 传感器 前置放大器 ... ... ... 前置放大器

A/D转换器 ... ... ... A/D转换器 单片机 ... ... ... 单片机 GPRS模块 ＧＰＲＳ网络 GPRS模块 显示电路 检测中心 显示电路

三．硬件设计 1.硬件选择 （１）.传感器选择：加速度传感器，塔筒自身的振动主要为低频振动，因此测量塔筒的自振频率，可选用加速度传感器或电容式振动传感器。 （２）.传感器的放置：考虑到塔筒的各个方向上的振动情况不一样，塔筒不同高度上的振幅也不一样，现将８个加速度传感器分为两组，每组四个分别置于塔筒横截面上相互垂直的X-Y方向上的四个位置（如图ａ），其中一组放置在塔筒底部，另一组靠近塔筒顶部，考虑到测量的数据的准确有效性，可将两组错开45°（如图ｂ），由此可实现塔筒各个位置振动的立体式测量，更具有准确性，而且可通过检测中心的数据分析得到非常准确的塔筒振动情况。 图ａ 图ｂ

（3）A/D转换器：ADC0808，具有８通道模拟输入，以逐次逼近式原理进行转换，分辨率为８位，且便于模拟电路仿真。 （4）单片机：AT89C51，与MCS-51 兼容，4K字节可编程FLASH存储器，数据保留时间长，128×8位内部RAM，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。 （5）数码管：7SEG-MPX4-CA，七段显示数码管，共阳。 （6）74LS74：在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲， 为了得到1MHZ的时钟频率，在电路中采用了74LS74二分频得到1MHZ的时钟频率。 （7）其他元件： 电容:30pF×2个，1uF×1个； 电阻：510×7个，4.7k×4个，51k×1个，1k×1个； 三极管：MPS6514×4个； 石英晶振：12MHZ×1个； 按钮开关一个。 2.总硬件接线图如下：

各个模块连接及说明如下： （1）.A/D转换部分 ADC0808芯片各引脚及功能： 有28条引共脚，采用双列直插式封装。 1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。 8、14、15和17～21：8位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 12（VREF（+））和16（VREF（-））：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

连接说明：ADC0808是由单一电源，+5V供电，模拟电压的输入范围为0~5V，故本设计允许输入的模拟电压最大值为5V。第22脚ALE为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存；6脚START为测试控制，当输入一个2us宽高电平脉冲时，就开始A/D转换；7脚EOC为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平；9脚OE，数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数。ADC0808的转换速度取决于芯片的时钟频率，要求时钟频率范围不高于640KHZ，在本设计中我们采用了由单片机ALE脚的六分频晶振信号再通过74LS74二分频得到，故ADC0808的工作频率为1MHZ，转换时间为1US。 连接图： （2）.数据处理模块： AT89C51管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（计时器0外部输入） P3.5 T1（计时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 连接说明： 单片机主要完成将接受到的ADC0808转换输出的二进制数值进行BCD码的转换，并完成8路数值轮流显示的功能，故需借助单片机来完成编程功能。 设计中，采用了AT89C51单片机，与工业80C51 产品指令和引脚完